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1、智能小区气象站的设计针对于局部区域天气变化无常，而电视网络的天气预报不能实时告知人们身边的 天气状况的缺陷，设计了一种采用太阳能和蓄电池互补供电系统、实时传送气象数据 的智能小区气象站。智能小区气象站是一种小型自动气象站，能够可靠、准确地测量 周围的风速、风向、温度、湿度、雨量和PM2.5，实时收集天气状况，然后通过显示 控制台接受传感器发射过来的信号，并显示出来，同时也可以比较室内外天气状况给 人出行提醒。关键词：自动气象站；传感器；PM2.5 ；太阳能；ABSTRACTFor the weather is great changeable in the local area, and th
2、e weather forecast of television or network couldnt inform people around the weather conditions in real -time, we designed a complementary use of solar and battery-powered systems, real-time transmission of meteorological data intelligence community weather station. The Intelligent communitys weathe
3、r stations is a small automatic weather stations, and can be reliably and accurately measure around the wind speed, wind direction, temperature, humidity, rainfall and PM2.5, collect real-time weather conditions, and then come to accept the signal emitted by the sensor display console and displayed,
4、 but can also compare the indoor and outdoor weather conditions give travel alerts for us.Key word： automatic weather stations; transducer; PM2.5; the solar energy;目录摘要IABSTRACT II1绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究现状和发展趋势11.3论文主要研究内容12系统的硬件设计32.1主控MCU的选择32.2传感器接口的电路设计32.3气象参数测试电路42.3.1雨量传感器接口 42.3.2风向、风速传感器接口
5、52.3.3温湿度接口52.3.4 PM2.5 模块接口 62.4 GPRS数据传输电路63系统的软件设计73.1气象参数采集73.2数据传输74结束语8参考文献91绪论1.1研究背景及意义天气变化与人类的工作、生活息息相关，影响巨大，对气象的观测可以及时了解 天气变化情况，为人类生产、生活提供指引。智能小区气象站是一个小型的自动气象 站，它可以准确实时地监测小区周围的天气状况，并把这些信息及时的传达给小区的 住民。美国加利福尼亚州海沃德市的戴维斯仪器仪表公司研制出了个人气象站。个人 气象站可以很好地服务于那些拥有别墅式住宅的人们，但对于中国的大城市，住宅小 区都是一栋栋高楼。很多人们对这种个
6、人气象站的需求就不是很大。这不意味着人们 不需要这种服务。如果小区能安装一个智能小区气象助手，为人们提供小区的天气状 况，会使人们的生活更加舒适。而且与国内研制的手持气象站相比可以用更少的费用 服务更多的人。智能小区气象助手作为监测环境的工具还可以应用到其它地方，比如一些比赛场 地，工作人员要对场地内的温度、风速、湿度、气压都要有精确及时的了解。一些酿 酒商利用这些准确的气象信息决定何时对真菌和其他有害生物实施喷洒杀灭作业，种 蔬菜大棚的农民也需要这种气象助手。1.2国内外研究现状和发展趋势加强防灾减灾体系建设，加快建立环境和地质监测预警体系，是国家在“十二五 规划”中的一项重要内容1。这也要
7、求我们对周围环境的实时监测。自二十世纪八 十年代以来，芬兰、美国、日本等许多国家的地面气象观测网中就已普遍采用了自动 气象站。1999年7月，我国引进芬兰VAISALA公司的5套自动气象站投入业务运行， 这是我国首次将自动气象站作为正式观测使用，标志着我国地面气象观测进入了一个 新的里程。同时，我国也加快了自行研制生产自动气象站的步伐，第一批于2000年 1月1日起正式投入业务运行。目前，我国已普遍使用自动遥测气象站，实现了人工 气象站与自动气象站的联合观测。1.3论文主要研究内容智能小区气象助手随时收集天气“情报”，采集环境中各种资源信息。然后通过 无线传输装置将传感器接收到的信息发送到控制
8、台，将它们显示出来。传感器模块主 要有：温室传感器、光照强度传感器、紫外线传感器、风速仪、风向标和PM2.5检测 仪组成。这些装置可以把收集而来的各类信息转换成为数字信号进而传输到单片机， 通过液晶显示器显示。传感器模块可以通过太阳能电池板来供电。Xs128单片机是主要的控制模块，接受传感器模块传出的数字信号，并控制液 晶显示屏显示。温湿传感器可以检测周围环境的温度和湿度。GY-30数字光模块可以检测室外的光照强度。编码器可以用来测风速，风向可以用电位器检测。UV紫外线传感器能够将紫外线信号转换成可测量的电信号。2系统的硬件设计智能气象站的系统硬件由MCU最小系统、元素气象参数传感器（雨量、风
9、力、 风向、温度和湿度）电路和PM2.5测量模块、时钟模块、外扩闪存（16K）模块、按键、 GPRS数据传输模块、12864LCD液晶显示电路、太阳能与蓄电池互补供电系统组成。 系统结构框图如下：图2智能气象站系统2.1主控MCU的选择考虑到对传感器接收的信息的处理，I/O接口的数量，以及采用蓄电池供电就考 虑系统的功耗，选用xs128单片机或者CC2530可以满足基本的要求，Xs128单片机 或CC2530是主要的控制模块，接受传感器模块传出的数字信号，并控制液晶显示屏 显示。2.2传感器接口的电路设计气象元素传感器包括雨量传感器、温湿度传感器和风力风向传感器，其中：雨量 传感器和风力传感器
10、的输出都是脉冲频率信号，温湿度传感器的输出都是模拟压量， 风向传感器的输出是TTL信号。加上时钟电路（采用SPI接口）、GPRS模块、液晶 显示器（采用SPI接口），I/O端口显然不够，所以设计了 I/O接口扩展电路如图所 示。其中，P1. 3 - P1.5作为芯片的片选，P1.0 - P1.2作为芯片内地址线，结合 软件的扫描，即可实现对8个独立式按键的扫描、风向的判断和模拟量的轮流测量。 需要注意的是，数字量的切换选用74HC151，为了使MCU对信号的识别更可靠，最好 在74HC151的输出端加一个74HC74整形;而模拟量的切换，选用CD4051，并在CD4051 的输出加电压跟随。图
11、2.2传感器接口电路图2.3气象参数测试电路由于气象站的工作环境恶劣，特别是在雷雨天气容易受强干扰信号影响，所以所 有的气象元素传感器的信号都不能直接送人MCU进行采集，要加人隔离电路。2.3.1雨量传感器接口本设计采用HA2012雨量传感器。其工作原理是:承水口收集的雨水，经过漏 斗注人计量翻斗一翻斗是用工程塑料注射成型的用中间隔板分成两个等容积的三角 斗室。它是一个机械双稳态结构，当一个斗室接水时，另一个斗室处于等待状态，当 所接雨水容积达到预定值时（这个值就是分辨率），由于重力作用使自己翻倒，处于 等待状态，另一个斗室处于接水工作状态。当其接水量达到预定值时，又自己翻倒， 处于等待状态。
12、在翻斗两侧壁上各装有一个磁钢，两侧磁钢翻落处各有一个舌簧管。 磁钢随翻斗翻动时从干式舌簧管旁扫描，使干式舌簧管通断。翻斗每翻倒一次，两个 十式舌簧管便都接通一次送出一个开关信号（脉冲信号），开关信号的极性相反。图2.3.1传雨量传感器接口保护电路和整形电路2.3.2风向、风速传感器接口风速的测量选用HA2010风速传感器，其核心部件是霍尼韦尔传感器。该传感 器采用传统的三杯式结构，风杯选用碳纤维材料，机械强度高，启动性好。工作电压 DC5 V -12V，最大功耗4W。风速输出的脉冲信号频率在0-200Hz之间，C5电容可以 吸收尖峰干扰风速传感器与MCU的连接如图。风向的测量选用HA2011风
13、向传感器， 其核心部件是磁阻传感器。该传感器采用传统的尾翼式低惯性风标结构。连接线共9 条，其中1条公共接线，使用时接Vcc，另外8条线对应着正北、东北、正东、东南、 正南、西南、正西、西北。图中的开关相当于磁阻开关。图2.3.2风速、风向传感器接口保护电路和整形电路2.3.3温湿度接口设计使用了 HA2005A温湿度传感器。该传感器采用原装进口瑞士主芯片，工作电 压DC5V24V，经调理电路转化为02V模拟输出，响应速度小于1s。这两个量直接 接人MCU的A/D转换输人端转换。为了防止太阳对仪器的直接辐射和地面对仪器的 反射辐射，保护仪器免受强风、雨、雪等的影响，温湿度传感器完全包围在轻型百
14、叶 箱里面，仪器感应部分有适当的通风，能真实地感应外界空气温度和湿度的变化。温 湿度传感器的输出接入CD4051的X0和X1。2.3.4 PM2.5 模块接口PM2.5的标准，是由美国在1997年提出的，主要是为了更有效地监测随着工业 化日益发达而出现的、在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。PM2.5指数已 经成为一个重要的测控空气污染程度的指数。利用PPD42NS粉尘传感器基于与粒子计 数器相同的光散乱原理，通过采用独特的检测方法，将相当于单位体积内粒子的绝对 个数作为脉冲信号输出，可以用来测量空气中PM2.5。2.4 GPRS数据传输电路GPRS（通用分组无线业务）是在现有的第二代移
15、动通信GSM系统的基础上发展的 一种基于分组交换传输数据的高效率方式，可无缝、直接的Internet无线IP连接。 GPRS能够在一个发送实体和另一个或多个发送实体之间提供数据传输，这些实体可 以是连接到另一个GPRS网络或者一个外部数据的网络终端设备，这样的优点尤其适 用于间歇性、非周期性数据的传输；少量数据的频繁传输；较大容量数据的不频繁传 输。因此以GPRS为基础的无线数据应用为气象站实现远距离的数据传输和实时监控 提供了一种新的技术手段。设计中GPRS模块采用SIMCOM公司的GSM/GPRS模块SIM300。这是一款支持数字、 语音、短消息和传真，处于睡眠状态时电流仅为3 mA的模块
16、。模块工作电压为单电 源3.3 V -4.6 V，模块工作温度为-20 - +53 C，适用于室外安装。AT命令集大部 分和SIM300模块兼容。通过标准的RS-232串行接口，用户可以用MCU通过AT命令 完成对模块的操作，达到远程数据传输的目的。CC2530的P0.2和P0.3为串行口线。3系统的软件设计3.1气象参数采集雨量、风速的输出都是TTL标准的频率量，测量时分别经光耦接人CC2530的引 脚P0.4和P0.6，由MCU进行计数即可;风向传感器的输出有8条，都是TTL信号， 经光耦接入74HC151，再由74HC151的输出端接人CC2530的引脚P1.7，由CC2530 编程对风向传感器的8条线进行扫描;温湿度传感器的输出都
